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与现有的半导体信号处理器件相比，全光信号处理器件具有更高的速度和更低的功耗，在过去的几十年里引起了极大的关注。全光逻辑门是光学处理过程的基本单元，它依靠一个光信号与另一个光信号的调制来模拟布尔逻辑运算。实现光控制光设计全光逻辑门的常用途径是基于非线性光学效应，然而，非线性敏感性小的常规材料往往需要较高的光功率才能工作，这阻碍了光逻辑门中的进一步应用。稀土掺杂上转换(UC)发光材料可以吸收近红外光并将其转换为可见光，由于稀土离子丰富的4f能级结构，使其具有与普通非线性光学相比独特的性能，例如低泵浦响应阈值、大反斯托克斯位移和多色发射，非常适合用于设计一种新颖的全光逻辑操作。
燕山大学刘世民教授课题组通过熔融冷却析晶法制备了一种含Er:NaYF4纳米晶体的上转换氟氧化物微晶玻璃（GC）材料，并创新提出了一种新的全光逻辑门操作。该GC材料在不同的激发波长下均产生优异的UC发光，其发射行为又依赖于具体的激发波长。此外，该材料能很好地响应双波长共同激发，由于光子的协同效应可以产生一系列新型的发光现象，比如发光强度的增强和发射颜色的调节。基于该材料的光谱反应特性，使用稀土掺杂的GC材料作为信号传感器，两个红外激发源（980和1550nm）作为输入信号，UC发射强度(G,R)和不同发射峰强度的比值（R/G）作为输出信号，利用单波长和双波长激发下产生的不同UC发射信息，构建出了全光逻辑门操作；通过改变泵浦激发功率，获得了不同发光强度和R/G发射比的光谱信息，为复杂的逻辑运算提供了丰富的发射信号。该研究成果为未来光计算技术中新型光子逻辑器件的开发提供了一条新途径。
图1基于UC发光效应设计全光逻辑门示意图
通过观察在单波长和双波长共同激发下的UC发射光谱，成功设计了多种全光逻辑门（OR、AND、YES、INHIBIT），其中以双波长激发下的R/G比变化和两种发光强度作为输出信号。基于R/G比和两种发光强度的相对数值设置逻辑阈值来定义输出信号的“开”或者“关”。双波长共激发下，由于匹配的能级和更多的电子跃迁路径，导致更多的电子可以跃迁到相应的发射能级，绿色和红色发射强度增强。同时，随着激发功率的增加，更多的电子可以跃迁至高的4S3/2能级，导致绿色发射强度相比红色增强更明显（R/G比呈下降趋势）。值得注意的是，双波长激发下激发功率的改变，操纵同一材料系统的发光强度和发射颜色的变化，两种信号可以同时采集。将R/G和G/R发射比以及绿色和红色发射强度结合起来共同作为输出条件设计了多输出的UC组合逻辑门：YES+AND+OR；INHIBIT+AND+YES；INHIBIT+AND+YES+OR。UC系统在宽的功率范围内具有独特的发光转换特性，基于丰富的光谱信息可构建出不同类型的逻辑门，在相同的外部输入条件下组成复杂的组合逻辑运算。
图2双波长激发下UC发光调控行为以及微观机制
图3通过UC发光调控行为构建的组合全光逻辑门操作
相关结果以题目“Oxyfluorideglass-ceramics for upconversion all-optical combinational logic gate operations”发表在CellReports Physical Science上。博士研究生英伟涛为第一作者，燕山大学材料科学与工程学院刘世民教授、许世清讲师和环境与化学工程学院谷建民副教授为该论文的共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金委的支持。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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